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Sandbox Physics

Q005 · 一份记录里的两组条纹

路径标记与量子擦除

按路径标签把落点分组,干涉条纹能重新出现吗? 能,前提是读标签用的基把两条路径混在一起。这时每一组都会重新出现条纹,两组正好错开半个条纹。两组加起来峰谷互补,又变回原来那张没有条纹的图。干涉从来不在总图里,只有按标签结果分组才看得见。

用偏振给单光子干涉仪的两条臂做标记。转动分析器,记录四个输出计数器,再把同一批事件分成互补的两组。看每组里什么变了,两组加起来又有什么不变。

交互模型路径标记与量子擦除
理想总记录条纹可见度—\text{—}
标记态重叠—\text{—}
同一批点击说明了什么

模拟探测事件

分成两组,总和不变

采集事件后查看。

白色点:所有点击中的 A 出口比例。橙与蓝:按揭示标签分组的 A 出口比例,含逐点 95% Wilson 区间。灰线为理想总点击参考;相加时要按各组样本数加权。

探测 / 发射

—\text{—}

第一标签 / 另一标签

—\text{—}

当前相位的条件比例

—\text{—}

采集到事件后才能估计。

从点击重算的联合分组
相位 (度)发射 / 探测A 第一 / A 另一 / B 第一 / B 另一
最近 12 个原始试次;CSV 包含全部试次
试次相位 (度)出口标签

物理教程

分组后,到底改变了什么?

背景两条臂里的光偏振不同。把两条臂重新合在一起,并不会自动抹掉偏振上的路径差别。最后,每个光子都落进四个输出计数器中的一个。

为什么值得理解一组事件里可以有条纹,总输出却是平的。两组标签都留着,才不会把一组里的条纹误当成全部光子都变了。

先抓重点

核心问题
稍后才揭开已存的标签,能改变之前已经记下的出口计数吗?
一句话直觉
两个空间出口用同一个偏振分析基。如果这个基把路径标签混在一起,事件就分成两组互补的条纹;把原始计数加回去,又得到原来那个不变的总分布。

核心数学模型

汇合之前的联合态

∣Ψ⟩=∣A⟩∣mA⟩+eiϕ∣B⟩∣mB⟩2|\Psi\rangle=\frac{|A\rangle|m_A\rangle+e^{i\phi}|B\rangle|m_B\rangle}{\sqrt2}

两条臂振幅相等,光源和反射镜带来的相位都并进可调的臂相位。平衡的实数 Hadamard 合束器规定了哪个出口叫 A、哪个叫 B。

对称偏振标记

∣mA⟩=cos⁡(θ/2)∣H⟩+sin⁡(θ/2)∣V⟩,∣mB⟩=cos⁡(θ/2)∣H⟩−sin⁡(θ/2)∣V⟩|m_A\rangle=\cos(\theta/2)|H\rangle+\sin(\theta/2)|V\rangle,\quad |m_B\rangle=\cos(\theta/2)|H\rangle-\sin(\theta/2)|V\rangle

标记角表示两个偏振态相隔多远,不是光路图里波片转过的角度。两个标记正交时,即使屏幕上不显示标签,总条纹也会消失。

分析器基

∣b0⟩=cos⁡β∣H⟩+sin⁡β∣V⟩,∣b1⟩=−sin⁡β∣H⟩+cos⁡β∣V⟩|b_0\rangle=\cos\beta|H\rangle+\sin\beta|V\rangle,\quad |b_1\rangle=-\sin\beta|H\rangle+\cos\beta|V\rangle

每个空间出口之后,理想的偏振旋转和偏振分束器把两个基态分开。四个探测器效率相同。

联合端口概率

P(s,q)=aq2+bq2+2svaqbqcos⁡ϕ4,aq=⟨bq∣mA⟩,bq=⟨bq∣mB⟩P(s,q)=\frac{a_q^2+b_q^2+2sv a_qb_q\cos\phi}{4},\quad a_q=\langle b_q|m_A\rangle,\quad b_q=\langle b_q|m_B\rangle

符号决定是 A 出口还是 B 出口。剩余的路径相干乘在密度矩阵的非对角元上。每次试验四个探测器里最多响一个;光子丢失时留下一条空白记录。

总出口概率保持不变

P(A)=1+vcos⁡θcos⁡ϕ2=∑q=01P(q)P(A∣q)P(A)=\frac{1+v\cos\theta\cos\phi}{2}=\sum_{q=0}^{1}P(q)P(A\mid q)

换分析基,两组的样子会变,总出口概率却不变。标记正交时,这个总分布是平的。

把实际计数加回去

P^(A)=NA0+NA1Ndet,Ndet=NA0+NA1+NB0+NB1\widehat P(A)=\frac{N_{A0}+N_{A1}}{N_{\mathrm{det}}},\quad N_{\mathrm{det}}=N_{A0}+N_{A1}+N_{B0}+N_{B1}

每组的比例以该组的点击数为分母。按组大小加权,正好还原全部点击里的比例。Wilson 范围逐点描述有限次计数,不是拟合可见度的联合置信区域。

常见难点

一组事件里的条纹

容易误解选出来的一组有条纹,就证明之前所有的探测计数都被改了。

正确理解两组标签都还在同一份联合记录里。按正确的权重加起来,两组相反的条纹正好抵消。

这里纠缠的是哪些自由度?

容易误解图中有两个光子送往分离的观察者。

正确理解同一个光子既有路径自由度,也有偏振自由度,四个计数器读出的是两者的组合。这里没有模拟把纠缠光子对送往远处的光源。

单凭这个效应证明不了非经典性

容易误解这个光学强度效应本身,就证明了光子统计是非经典的。

正确理解经典的相干偏振场遵守同样的干涉关系。把计数理解成一个个光子事件,要依赖对光源的明确假设。

动手实验

  1. 01

    先预测什么会回来

    选择擦除路径区别,做一个预测,再采集相位扫描。

    你会看到: 两组标签的条纹方向相反;按权重加起来,除去计数涨落,仍然是平的。
  2. 02

    读出或擦除路径区别

    对照读出路径标签和擦除路径区别两种情形,每改一次物理设置就重新采集。

    你会看到: 分析器把事件分成不同的组。把读得出的标签藏起来,两个偏振态也不会因此变得一样。
  3. 03

    稍后查看同一记录

    先隐藏标签再采集,然后揭开标签。检查试次数,导出原始 CSV。

    你会看到: 两组分了出来,却没有产生任何新事件。事后查看记录,并不是双光子的延迟选择实验。
  4. 04

    区分标记和失相

    先试部分标记,再降低路径相干。

    你会看到: 标记部分重叠时,总输出里还留着一些条纹。路径相干一旦丢了,只换分析基补不回来。

相关实验与文章

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